Ультратонкие и высокочувствительные датчики деформации

Исследовательская группа из Национального университета Сингапура (NUS) сделала первый шаг к повышению безопасности и точности промышленных роботизированных манипуляторов, разработав новую линейку датчиков деформации из наноматериалов, которые в 10 раз более чувствительны при измерении мельчайших движений по сравнению с существующими технологиями. .

Эти новые датчики деформации, изготовленные с использованием гибких, растягивающихся и электропроводящих наноматериалов, называемых MXenes, являются ультратонкими, не требуют батареи и могут передавать данные по беспроводной сети. Благодаря этим желательным свойствам новые тензометрические датчики потенциально могут использоваться для широкого спектра приложений.

Доцент Чен По-Йен объяснил:«Производительность обычных датчиков деформации всегда ограничивалась природой чувствительных материалов, поэтому у пользователей были ограниченные возможности настройки датчиков для конкретных приложений. В этой работе мы разработали простую стратегию управления текстурами поверхности MXene, которая позволила нам контролировать характеристики датчиков деформации для различных мягких экзоскелетов. Принципы проектирования датчиков, разработанные в этой работе, значительно повысят производительность электронных скинов и мягких роботов».

Одной из областей, где новые датчики деформации могут найти хорошее применение, является точное производство, где роботы-манипуляторы используются для выполнения сложных задач, таких как изготовление хрупких продуктов, таких как микрочипы. Датчики могут быть нанесены на роботизированную руку, как электронная кожа, чтобы измерять тонкие движения по мере их растяжения. Датчики деформации, размещенные вдоль суставов рук, позволяют системе точно понять, насколько двигаются руки-роботы и их текущее положение относительно состояния покоя. Современные стандартные тензометрические датчики не обладают необходимой точностью и чувствительностью для выполнения этой функции.

Обычные автоматизированные манипуляторы, используемые в прецизионном производстве, требуют внешних камер, направленных на них под разными углами, чтобы помочь отслеживать их положение и движение. Эти сверхчувствительные датчики деформации помогут повысить общую безопасность манипуляторов роботов, обеспечивая автоматическую обратную связь о точных движениях с погрешностью менее одного градуса. Это устранит необходимость во внешних камерах, поскольку они могут отслеживать положение и движение без какого-либо визуального ввода.

Технологический прорыв заключается в разработке производственного процесса, который позволил исследователям создавать настраиваемые сверхчувствительные датчики с широким рабочим окном и высоким отношением сигнал/шум.

Рабочее окно датчика определяет, насколько он может растягиваться, сохраняя при этом свои чувствительные качества. Кроме того, высокое отношение сигнал/шум означает большую точность, что позволяет датчику различать слабые вибрации и мельчайшие движения манипулятора.

Этот производственный процесс позволяет команде настраивать свои датчики на любое рабочее окно от 0 до 900 процентов, сохраняя при этом высокую чувствительность и высокое отношение сигнал/шум. Стандартные датчики обычно могут достигать диапазона только до 100 процентов. Объединив несколько датчиков с разными рабочими окнами, исследователи могут создать единый сверхчувствительный датчик, который в противном случае был бы недоступен.

Исследовательская группа разработала рабочий прототип применения датчиков для мягких экзоскелетов в мягкой роботизированной реабилитационной перчатке. Датчики дают возможность ощущать двигательную активность пациента, особенно с точки зрения диапазона его движений. В конечном итоге это позволит мягкому роботу лучше понять способности пациента и оказать необходимую помощь движениям его рук.

В настоящее время команда работает с Сингапурской больницей общего профиля над изучением их применения в роботах с мягким экзоскелетом для реабилитации и в хирургических роботах для трансоральной роботизированной хирургии. «Как хирурги, мы полагаемся не только на зрение, но и на осязание, чтобы чувствовать область внутри тела, которую мы оперируем. Раковые ткани, например, ощущаются иначе, чем нормальные, здоровые ткани. Добавляя сверхтонкие беспроводные датчики к длинным роботизированным инструментам, мы можем достигать и работать в областях, недоступных для наших рук, и потенциально «чувствовать» жесткость тканей без необходимости открытой операции», — сказал доктор Лим Чви Минг из Сингапура. Больница общего профиля.